【導(dǎo)讀】電弧爐是以電弧為主要熱源的電爐。電弧爐是繼轉(zhuǎn)爐、平爐之后出現(xiàn)的又一種煉鋼。鐵成為世界上最易于回收的材料[1]。目前，世界上電爐鋼產(chǎn)量的95%以上都是由電弧爐。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3],1990年至1999年我國新建設(shè)60～。150t電弧爐19座,總?cè)萘繛?645t。目前,我國投入運(yùn)行的50t以上電弧爐有39. 座,其中單爐出鋼量100t以上的電弧爐有10座。[4]電弧爐是以電能為熱源冶煉鋼和合。因此電弧爐電極控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)電弧爐鋼廠的產(chǎn)量和質(zhì)量[5]。1964年,美國Schwabe和Robinson提出了超高功率的概念。2)高的電弧爐變壓器最大功率利用率和時(shí)間利用率;3)高的電效率和熱效率;4)低的電弧爐短網(wǎng)電阻和電抗,且短網(wǎng)電抗平衡。料侵蝕,取得良好的節(jié)能降耗效果?？刂啤㈦姌O自動(dòng)調(diào)節(jié)器、微機(jī)控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1)石墨電極消耗大幅度降低;3)只需一套電極系統(tǒng),可使用與三相交流電弧爐同直徑的石墨電極;4)縮短冶煉時(shí)間,可降低熔煉單位電耗5%～10%;反轉(zhuǎn)的控制是采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)的]10[，其變頻裝置以SA4828作為SPWM信號發(fā)生器，

　　

【正文】 矩電動(dòng)機(jī)同軸連接，測速發(fā)電機(jī)與力矩發(fā)電機(jī)同速 旋轉(zhuǎn)，測速發(fā)電機(jī)電壓 cfU 與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 成正比，即測速發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電壓同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成準(zhǔn)確的線性關(guān)系。這樣轉(zhuǎn)速信號就可以從測速發(fā)電機(jī) CF 電樞傳出，當(dāng)力矩發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，測速發(fā)電機(jī) CF 的端電壓也跟隨改變。方向和大小不斷變化的轉(zhuǎn)速通過測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電壓信號。然后通過反饋電路將這一反映速度變化的電壓信號送回到系統(tǒng)的輸入端，與一個(gè)和給定轉(zhuǎn)速成比例的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。這個(gè)基準(zhǔn)電壓即給定電壓，用 gU 表示，它是由前面的弧壓、弧流比 較環(huán)節(jié)所得到的。圖 中基準(zhǔn)電壓 gU 與速度反饋電壓信號 cfU 極性相反，兩個(gè)電壓相減的結(jié)果，即為給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，稱為偏差，用 ? V= gV － fV 表示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也下降， gV 減小，于是差值 ? V就增加，該差值經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)后，經(jīng)過數(shù)學(xué)算法計(jì)算，控制變頻器，使變頻器驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)輸出電壓提高，轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 33 頁 共 52 頁 W放大器JD+Ug+ΔU+ Uf觸發(fā)器 整流逆變器M O T O R D C－＋CF 圖 速度反饋環(huán)節(jié)電路的組成及原理 速度負(fù)反饋電路的核心元件是直流測速發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)電樞的一個(gè)端點(diǎn)與運(yùn)算放大器虛地相接，電樞的另一個(gè)端點(diǎn)與電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)的一端相接，如圖 所示。 1 G Z 2 G Z1 D W YR3R4R2RfR1W1RoU i 1A I N 1 ( U f )M O T O R D C－＋CF 圖 當(dāng)電極處于上升狀態(tài)時(shí)，測速發(fā)電機(jī)的 A 端為正， B端為負(fù)，測速發(fā)電機(jī)的電流由A端開始，經(jīng)電阻 0R 進(jìn)入運(yùn)算放大器再經(jīng)過電阻 2R 進(jìn)入電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，電流經(jīng)電位器 1W 、電阻 3R 回到測速發(fā)電機(jī) B 端，這樣就相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電壓加入了運(yùn)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 34 頁 共 52 頁 放大器，與平衡橋輸出的電壓方向正好相反，此時(shí)的運(yùn)算放大器工作在反向加法器狀態(tài)，故有 )(22110 ifif URRURRU ??? 。 由于 1iU 是正值， 2iU 是 負(fù)值，所以運(yùn)算放大器的輸出 0U 的絕對值變小，從而實(shí)現(xiàn)速度負(fù)反饋?zhàn)饔?。?dāng)平衡橋輸出值較大時(shí)，電極上升速度加快。當(dāng)上升速度達(dá)到某一定值時(shí)，穩(wěn)壓管 1DWY 擊穿，通過電阻 3R 的反饋電流迅速增加，致使反饋電壓 2iU 迅速升高，經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行加法運(yùn)算后，其輸出 0U 的絕對值有大幅的降低，從而使快速增長的電極上升速度有所減緩。 當(dāng)電極處于下降狀態(tài)時(shí)，測速發(fā)電機(jī) B端為正， A 端為負(fù)。電流由測速發(fā)電機(jī) B端流出，經(jīng)電阻 3R 、 4R 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，電位器 1W 加于運(yùn)算放大器輸入端，在電極上升、下降速度相同時(shí) ABV 是相同的。但是，電極下降時(shí)，電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)電阻值比電極上升時(shí)小，因?yàn)?3R 與 4R 并聯(lián)，所以，在相同速度的情況下，電極下降時(shí)反饋 較強(qiáng)，這樣平衡橋有相同的輸出電壓時(shí)通過反饋環(huán)節(jié)可以使電極的上升、下降速度有所不同，人為的使下降速度低于上升速度。圖中二極管 1GZ 是防止電極上升時(shí)速度反饋電流通過 4R ，造成電極升降反饋系數(shù)相同，二極管 2GZ 是防止電極下降時(shí)速度反饋電流通過 1DWY 穩(wěn)壓管，造成電位器 1W 被短路，使電極下降時(shí)反饋過強(qiáng)。 快速提升和快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 快速提升環(huán)節(jié)的作用 在電弧爐煉鋼期間 ， 由于爐料的塌方 ， 會(huì)造成電極被爐料埋住 ， 使電極與爐料之間發(fā)生短路 ， 短時(shí)間的短路 ， 會(huì)造成電氣設(shè)備的損害 ， 從而給經(jīng)濟(jì)上造成一定的損失 ， 這就要求控制系統(tǒng)具備快速提升電極的能力 ， 使電極迅速脫離短路狀態(tài) ， 重新進(jìn)入工作區(qū) ，這就是快速提升環(huán)節(jié)的重要作用 快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的作用 當(dāng)電極發(fā)生短路時(shí)，快速提升環(huán)節(jié)迅速提升電極使其脫離短路狀態(tài)，但由于電機(jī)提升速度快，因?yàn)閼T性作用反而脫離預(yù)定電弧流值，造成超調(diào)現(xiàn)象。因此引進(jìn)快速制動(dòng)環(huán)節(jié)，當(dāng)電極快速提升在即將達(dá)到預(yù)定電弧流值時(shí)，快速制動(dòng)環(huán)節(jié)作用，強(qiáng)制電動(dòng)機(jī)停止， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁 共 52 頁 從而保證電極達(dá)到預(yù)定高度，超調(diào)量在允許范圍內(nèi)。 快速提升和快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的工作原理及設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的快速提升環(huán)節(jié)主要是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的。如圖 ， A/D 轉(zhuǎn)換器MAX155 將檢測到的當(dāng)前實(shí)際電弧電流 hI 和電壓 hU 的電壓差值信號 dU 傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過比較運(yùn)算：當(dāng) dU 〉 NU （額定電流 hI 和電壓 hU 的差值信號）值時(shí)，轉(zhuǎn)向進(jìn)入快速提升的程序，單片機(jī)改變 SA4828 的控制寄存器參數(shù)，使整流逆變電路的觸發(fā)脈沖迅速前移達(dá)極限值，致使整流逆變裝置輸出電壓也達(dá)最大值，電機(jī)擁有最大速度，拖動(dòng)電極上升，使電機(jī)迅速脫離短路狀態(tài)。 接著單片機(jī)檢測，當(dāng)電弧電流值當(dāng) dU NU （額定電流）值時(shí)，執(zhí)行快速制動(dòng)的程序，單片機(jī)改變 SA4828 的控制寄存器參數(shù)，使整流逆變裝置輸出電壓方向 改變，保持整流逆變電路的觸發(fā)脈沖為極限值，致使整流逆變裝置輸出電壓也達(dá)最大值（反向），使整流逆變裝置輸出較高的電壓加于電機(jī)的下降繞組上，使尚在上升運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)接收到一個(gè)較大的反接制動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)迅速停止，從而實(shí)現(xiàn)電極快速制動(dòng)的目的。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 36 頁 共 52 頁 圖 快速提升和快速制動(dòng)環(huán)節(jié)流程圖 手動(dòng)控制環(huán)節(jié) 如圖 ，當(dāng)按鈕 SW1 按下時(shí)，單片機(jī) 89C52 檢測到24P引腳變?yōu)榈碗娖?，則改變 SA4828 控制寄存器 參數(shù)，從而通過整流逆變電路 IPM 使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電極以恒定速度上升，當(dāng)按鈕彈開時(shí)24P引腳變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)發(fā)出信號，電極停止上升；當(dāng)按鈕差值信號 dU 〉 NU ？ 改變 SA4828 使觸發(fā)脈沖前移到最大角度，電極最大速度反轉(zhuǎn)（電機(jī)上升） 改變 SA4828，使整流裝置輸出電壓反向，電機(jī)受到較大的反接制動(dòng)力矩 差值信號 dU 〈 NU ？ N Y Y N 主程序 返回主程序 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 37 頁 共 52 頁 SW2 按下時(shí)，單片機(jī) 89C52 檢測到23P引腳變?yōu)榈碗娖?，則改變 SA4828 的內(nèi)部控制寄存器參數(shù)，從而通過整流逆變電路 IPM 使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電極以某一恒定速度下降，當(dāng)按鈕彈開時(shí)23P引腳變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)發(fā)出信號，電極停止下降。 圖 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 電爐在運(yùn)行中 ， 負(fù)荷變化劇烈 ， 常常會(huì)產(chǎn)生斷弧和短路現(xiàn)象 ， 這就要求電機(jī)迅速地反轉(zhuǎn) ， 電極迅速升降 ， 以免造成斷弧和短路現(xiàn)象 ， 并且能根據(jù)爐內(nèi)的電流電壓大小靈敏迅速地進(jìn)行恒功率調(diào)節(jié)。我們知道 ， 電爐在煉鋼時(shí) ， 電極總是處在急劇地升降狀態(tài)。因此 ， 要提高電極升降速度 ， 首先要縮短電極升降的過渡過程 ， 電極升降的過渡過程時(shí)間取決于電極機(jī)構(gòu)的慣量大小 ， 而電極機(jī)構(gòu)慣量的大小 ， 主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。 由于交流力矩式電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量小，起動(dòng)力矩大，電磁時(shí)間常數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，滿足拖動(dòng)電極的性能要求，故采用交流力矩式 電機(jī)。 根據(jù)設(shè)計(jì)說明書，選取額定電壓為 380V，空載電流≤ 20A，堵轉(zhuǎn)電流≤ 44A的交流力矩電動(dòng)機(jī)。力矩電動(dòng)機(jī)經(jīng)由鋼絲繩帶動(dòng)機(jī)械減速裝置連接至電弧爐電極。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 38 頁 共 52 頁 3 軟件設(shè)計(jì) 程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂，只有通過軟件才能將硬件的功能體現(xiàn)出來，有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中子程序，使它們形成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各種各樣的操作命令。 本設(shè)計(jì)總的軟件程序流程圖如圖 所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，首先對 SA4828 進(jìn)行初始化，接著對 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX155 進(jìn)行初始化操作。然后單片機(jī)將由A/D轉(zhuǎn)換器 MAX155傳送的數(shù)據(jù)中的當(dāng)前電弧弧流、弧壓通過顯示芯片 MAX7219顯示出來。接著判斷手動(dòng)操作按鈕是否按下，若手動(dòng)操作按鈕按下則調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的手動(dòng)操作程序，若沒按下，則繼續(xù)主程序。接著對鍵盤進(jìn)行掃描，如果鍵盤有輸入，則執(zhí)行相應(yīng)的鍵盤操作程序，如果沒有，則繼續(xù)主程序。接著判斷 dU （弧流、弧壓信號差，即數(shù)字信號 0AD 10P ）是否〉 0，小于則進(jìn)行電動(dòng)機(jī)下降的相關(guān)操作，大于則進(jìn)行電動(dòng)機(jī)上升的相關(guān)操作。 然后判斷 dU 是否〉 NU （對應(yīng)額定電弧電流），大于則轉(zhuǎn)向進(jìn)行電極快速提升的操作程序，并且當(dāng) dU NU 時(shí)進(jìn)行快速制動(dòng)操作；小于則進(jìn)行電極上升的相關(guān)程序操作。 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX155 的 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖 所示，使用 MAX155 的 4個(gè)模擬輸入端 AIN0,AIN1,AIN2,AIN3，將其分別設(shè)置為單端雙極性，分別采集電弧弧流弧 壓信號差 dU ，交流力矩電動(dòng)機(jī)速度反饋信號 fU ，電弧電流信號 hI ，電弧電壓信號 hU 。采樣轉(zhuǎn)換時(shí)，單片機(jī)給出一個(gè) WR 脈沖，并在 WR 脈沖的下降沿開始轉(zhuǎn)換，此時(shí)的 MAX155的 RAM地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到 0。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換指令后，判斷轉(zhuǎn)換是否完成，如沒完成返 回再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)判斷轉(zhuǎn)換完成后， 89C51 通過連續(xù) RD 的脈沖順序讀出 RAM 中的數(shù)據(jù)，然后分別儲(chǔ)存到相應(yīng)的地址單元中。 鍵盤輸入程序流程圖如圖 所示。鍵盤輸入數(shù)據(jù)是人為給定的電弧電流值 39。hI ， 鍵盤輸入程序采用 4 4 矩陣式鍵盤，有效值為 0— 9，其余 6 個(gè)鍵值分別設(shè)為 10，作為輸入結(jié)束標(biāo)志。鍵盤掃描開始后，先檢測輸入線，如果有任意一條或一條以上為低電平，則表示鍵盤中有鍵被按下；若所有行線均為高電平狀態(tài)，則表示鍵盤中無鍵被按下。 判 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 39 頁 共 52 頁 斷有鍵被按下時(shí)，先進(jìn)行延時(shí)去抖動(dòng)，防止非人為輸入信號和消除信號誤差。之后再次掃描鍵盤，確認(rèn)有鍵按下時(shí)，進(jìn)行計(jì)算鍵值的相關(guān)指令操作。計(jì)算鍵值完后，判斷按鍵是否被釋放，釋放后，進(jìn)行判斷此次輸入的鍵值是否等于結(jié)束值（ 10），若不是，表示給定數(shù)據(jù)還未輸入完畢，則返回進(jìn)行下一次的輸入掃描程序；若等于，表示表示給定數(shù)據(jù)未輸入完畢，將所有輸入值經(jīng)過計(jì)算后的總的給定值存入寄存器 R0 中，用于單片機(jī)相關(guān)的其它指令操作。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 40 頁 共 52 頁 開始 初始化 SA4828 顯示當(dāng)前弧流、弧壓 改變 SA4828 參數(shù)， 使電動(dòng)機(jī)上升 輸 出 初始化 MAX155 手動(dòng)按鈕是否按下？ 鍵盤是否有輸入？ 弧流、弧壓信號差〉 0 ？ 弧流弧壓差〉 NU ？ 電機(jī)快速提升、快速制動(dòng) 設(shè)定SA4828參數(shù)，改變電動(dòng)機(jī)狀態(tài) 給定SA4828參數(shù)，電極升降 改變SA4828參數(shù)， 使電動(dòng)機(jī)下降 Y N Y N N Y Y N 圖 軟件程序總流程圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 41 頁 共 52 頁 圖 A/D轉(zhuǎn)換器 程序流程圖 開始 采樣 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 讀取 結(jié)束 轉(zhuǎn)換是 否完成？ N Y 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 42 頁 共 52 頁 延時(shí)去抖動(dòng) 鍵盤掃描開始 掃 描 鍵 盤 計(jì) 算 鍵 值 設(shè)立有鍵按下標(biāo)志 結(jié)束，總鍵值存于寄存器 0R 新鍵值運(yùn)算后，存入 0R 鍵值 =結(jié)束值 10？ 鍵已釋放？ 有鍵閉合？ 有鍵閉合？ N Y N Y Y N Y N 圖 鍵盤程序流程圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 43 頁 共 52 頁 結(jié) 論 本設(shè)計(jì) — 基于 單片機(jī) MCS51 的電爐 控制系統(tǒng)，在一些環(huán)節(jié)采用 了 集成芯片，確保了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊化，精度提高，易于實(shí)現(xiàn)。 首先，采用 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX155 采集弧流弧壓 。通過鍵盤 隨時(shí) 輸入要求的電弧電流值。 MAX7219 可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前的電弧電流和電壓值。 其次 ，單片機(jī)控制系統(tǒng)摒棄了以往的由變壓器、二極管整流橋、雙 T 型濾波器和光耦和電路組成的 電極快速提升和制動(dòng)環(huán)節(jié)， 卻 檢測 到 當(dāng)前電弧電流、電壓信號，經(jīng)過比較運(yùn)算，通過軟件方式改變 SA4828 的內(nèi)部寄存器參數(shù)，來改變整流逆變裝置的輸出電壓大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)電弧爐電極的手動(dòng)操作和快速提升和制動(dòng)功能 。雖然 簡化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度， 卻 提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且節(jié)約了成本。 當(dāng)然本設(shè)